Спутниковая навигационная система GPS

Глобальная система позиционирования (The Global Positioning System - GPS) - это основанная на специальных спутниках система, созданная и управляемая Департаментом Обороны США (DOD). Система обеспечивает возможность определения пространственного положения любой точки на земной поверхности. GPS - приемники используются для решения задач навигации, определения пространственных координат, определения точного времени, астрономических наблюдений, гидрометеорологических измерений и др. Точность определения координат может составлять от десятков метров до миллиметров в зависимости от применяемого оборудования и методики.

Глобальная система позиционирования состоит из трех сегментов: космического, управляющего и пользовательского.

Космический сегмент состоит из 24 навигационных спутников NAVSTAR, которые вращаются вокруг Земли на высоте около 20 тыс. км с периодом вращения 12 часов. Параметры спутниковых орбит подобраны таким образом, что в любой точке земного шара обеспечивается возможность одновременного приема радиосигнала как минимум от четырех спутников. Каждый спутник имеет на борту четыре высокоточных атомных часов, и постоянно посылает радиосигналы, используя собственный уникальный идентификационный код.

Управляющий сегмент состоит из четырех наземных мониторинговых станций, расположенных в разных частях земного шара, и главной управляющей станции. Мониторинговые станции принимают радиосигналы от спутников и по ним отстраивают орбитальные модели для каждого спутника. По этим моделям рассчитываются точные параметры орбиты (эфемериды) и коэффициенты коррекции бортовых часов спутников. Полученные данные передаются на главную управляющую станцию, которая один раз в сутки передает эфемериды и коэффициенты коррекции часов на спутники.

Пользовательский сегмент состоит из большого числа гражданских и военных GPS-приемников, которые преобразуют спутниковые радиосигналы в пространственные координаты и сигналы точного времени. Для расчета четырехмерной координаты местоположения приемника (X, Y, Z, Time) требуется принять радиосигнал как минимум от четырех спутников.

Каждый GPS-спутник постоянно передает радиосигналы на двух частотах: L1 и L2. Частота L1 (1575.42 MГц) несет навигационное сообщение и гражданский кодовый сигнал (C/A код). Частота L2 (1227.60 MГц) используется для измерения ионосферных поправок и несет шифрованный военный кодовый сигнал (P-код и Y-код).

Гражданский C/A код доступен для всех GPS-приемников и используется для решения задач навигации, геодезии, картографии и маркшейдерии.

Военные P-код и Y-коды шифруются с помощью особых алгоритмов шифрования, уравнения для их раскодирования засекречены и доступны только американским военным пользователям.

Спутниковое навигационное сообщение содержит описание GPS-спутниковых орбит, коэффициенты коррекции бортовых часов спутников и другие системные параметры. Эти декодированные данные также называют эфемеридами спутников. Эфемериды используются при планировании работ с применением GPS-оборудования и для определения координат.

Радиосигналы, принятые от спутников, служат для определения расстояния между фазовым центром спутникового радиопередатчика и фазовым центром GPS-приемника. Для определения этого расстояния вычисляется время прохождения радиосигнала от спутника до приемника. Зная время прохождения радиосигнала и скорость распространения радиоизлучения в вакууме, вычисляют расстояния от приемника до спутников. Координаты фазового центра GPS-приемника определяются пространственной линейной засечкой от спутников с известными координатами.

По состоянию на 6 января 2000 г. в околоземном пространстве находится 27 рабочих спутников системы GPS, равномерно распределенных по орбитам. (Полнофункциональная система подразумевает 24 рабочих спутника). Всего с 22 февраля 1978 г. было запущено на орбиту 43 навигационных спутника системы GPS серий Block I и Block II. Среди основных причин выхода спутников из строя называются следующие: смена стандарта частоты, потеря ориентации и аварии разгонного блока. Из имеющихся 27 рабочих спутников серии Block II около половины имеют срок жизни, близкий к критическому (Срок жизни спутника сериии Block II составляет около 10-15 лет).

25 января 1999 года вице-президент США Эл Гор объявил о выделении из бюджета 400 миллионов долларов на новую инициативу модернизации системы GPS, которая заключается в добавлении двух новых спутниковых сигналов гражданского назначения в спутники следующего поколения, что должно значительно улучшить возможности системы для гражданских и коммерческих пользователей, а также научных целей по всему миру.

Данная инициатива является реакцией на недавние просьбы от гражданского и коммерческого сегментов пользователей GPS об улучшении возможностей системы для гражданского использования. В настоящее время по всему миру на основе GPS созданы национальные и региональные сети, которые помогают в навигации всего спектра транспортных средств, начиная от самолётов, кораблей и поездов и заканчивая горнодобывающими машинами.

По словам вице-президента США второй гражданский сигнал будет расположен на частоте 1227.60 МГц совместно с текущим военным сигналом и будет доступен для открытого использования в приложениях не нарушающих безопасность США и их союзников. Запуск спутников с такими возможностями запланирован на 2003 год.

Кроме того, недавно правительство США приняло решение о выделении частоты для третьего гражданского сигнала, отвечающего нуждам приложений с повышенными требованиями к безопасности людей, например в гражданской авиации. Третий гражданский сигнал будет расположен на частоте 1176.45 МГц, внутри участка диапазона зарезервированного для международного аэрорадионавигационного сервиса и предполагается устанавливаться на спутники, начиная с 2005 года. Эта инициатива будет стоить 400 миллионов долларов за период в шесть лет. Время, когда новый сервис станет доступен пользователям зависит от реальных дат запуска спутников, наличия достаточного их количества на орбитах для обеспечения надёжного приёма и продолжительности ввода в строй оборудования.

В комбинации с текущим гражданским сигналом на частоте 1575.42 МГц, новые сигналы значительно улучшат устойчивость и надёжность системы GPS для гражданских пользователей и обеспечат беспрецедентную точность определения координат в реальном времени в любой точке земного шара, что должно способствовать возникновению новых областей применения GPS и расширит быстрорастущий рынок GPS оборудования и смежных сервисов по всему миру.